James Webb har blant annet sett på kefeide-stjerner i denne galaksen, NGC 5468, som ligger 130 millioner lysår unna.(Bilde: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI)
– Enten er det noe galt med målingene, eller så er det noe galt med modellen
Forskere greier ikke å bli enige om hvor raskt universet utvider seg.
Universet har utvidet seg siden big bang. Det var veldig tett og varmt i starten og har siden blitt mindre tett og kaldere.
Når forskere studerer galakser som ligger langt unna, ser de at galaksene er på vei vekk fra oss. Det skjer på alle kanter. Rommet mellom galaksene utvider seg.
Hvor rask forsvinner disse galaksene unna oss nå? Forskere forsøker å finne et nøyaktig tall på dette. Tallet kalles Hubble-parameteren eller Hubble-konstanten.
Det nåværende svaret er at dette skjer med en hastighet på rundt 70 kilometer i sekundet per megaparsec.
En megaparsec er omtrent 3,3 millioner lysår. En tenkt galakse som er ti megaparsec unna oss, forsvinner vekk med en hastighet ganger ti, altså 700 kilometer i sekundet.
Men det er et problem. Forskere har målt Hubble-parameteren på ulike måter og fått to svar. Begge har liten grad av usikkerhet.
Enten må det være noe feil med målingen, eller så kan det bety at noe i dagens forståelse av universet ikke stemmer.
En ny studie som er basert på observasjoner med James Webb-teleskopet, bekrefter igjen at målingene er korrekte.
Må finne avstanden
For å finne Hubble-parameteren kan forskere se på det som heter rødforskyvning i lyset fra objekter langt unna.
Rødforskyvningen skjer når lys og stråling fra ulike kilder blir strukket ut på grunn av universets ekspansjon. Lyset får lengre bølgelengder og ser rødere ut enn det opprinnelig var.
Dette kan si noe om hvor fort et objekt har beveget seg vekk fra oss. Men da må vi også vite avstanden til objektet. Det er ikke alltid så enkelt finne ut av.
Forskere beregner avstanden ved å først finne ut hvor langt unna det er til objekter som er ganske nære oss. De bruker denne kunnskapen til å finne avstanden til galakser langt unna. Dette kalles den kosmiske avstandsstigen.
Hvis noe i kalibreringen er feil, kan det bli følgefeil når vi skal beregne avstanden til en fjern galakse.
Ved å se på rødforskyvning og avstander, har forskere kommet fram til at Hubble-parameteren er rundt 73 kilometer i sekundet per megaparsec.
Den gjeldende modellen
Men dette stemmer ikke med en annen måte å beregne parameteren, som bygger på data fra Planck-romobservatoriet. Det forteller Per Barth Lilje, leder for Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo.
Romobservatoriet målte den kosmiske mikrobølge-bakgrunnsstrålingen. Dette er stråling som fyller hele universet og som stammer fra universets barndom.
Annonse
– De har målt temperaturvariasjonene på himmelen fra punkt til punkt statistisk, sier Per Barth Lilje.
– Det var en ekstremt nøyaktig måling som man tilpasset en modell som kalles Lambda-CDM-modellen. I den er Hubble-konstanten en av seks parametere.
Modellen, som også kan skrives som ΛCDM, er dagens beste modell for læren om hele universet, i fortid, nåtid og framtid.
Modellen inneholder materie, mørk materie og mørk energi. Den kan gi en forklaring på hvorfor mikrobølgebakgrunnstrålingen eksisterer, hvordan universet ser ut på store skalaer og hvorfor universets ekspansjon akselererer.
Hubble-parameteren er en av ingrediensene i modellen. Ifølge modellen skal Hubble-parameteren være 67 kilometer i sekundet per megaparsec.
– Hvis den parameteren hadde vært litt annerledes, så burde ikke universet sett ut som det gjør i dag?
– Ja, nettopp. Enten er det noe galt med målingene, eller så er det noe galt med modellen.
Per Barth Lilje er leder ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo.(Foto: UiO)
Hubble-spenningen
Om verdien er 67 eller 73 høres kanskje ikke så viktig ut.
– Da jeg startet i faget, så diskuterte man om det var 50 eller 100. Nå strides man mellom om det er 67 eller 73. Det har blitt veldig mye bedre, sier Lilje.
– Men problemet her er at begge målemetodene har veldig små usikkerheter, og de overlapper ikke hverandre. Det er det som har blitt kalt for Hubble tension eller Hubble-spenningen.
Da må det være noe grunnleggende feil ett eller annet sted, sier Lilje.
Annonse
Mistanken har falt mot avstandsmålinger i rommet.
Romteleskopet Hubble er brukt til å måle Hubble-konstanten ved å se på rødforskyvning og avstander.
Nå har romteleskopet James Webb dobbelt-sjekket resultatene. Det gir ingen løsning på konflikten.
Den nye studien bekrefter nemlig målingene som er gjort med Hubble. Det melder ESA.
Blinkende stjerner
Forskere har dobbeltsjekket avstandsmålinger basert på kefeide-stjerner.
– Det er kjempestjerner som varierer veldig jevnt i lysstyrke, sier Lilje.
– Allerede for 120 år siden fant vi ut at lysstyrken på dem er avhengig av hvor fort de svinger i lysstyrke. Jo lengre perioder, jo kraftigere lyser de. Det kan man bruke til å måle avstanden, sier Lilje.
Videre kan en bestemt type supernova, en stjerneeksplosjon, brukes til å finne avstanden til galakser på større avstander. Disse supernovaene sender ut lys som øker og minker i et bestemt mønster, noe som vil avsløre avstanden.
Det var en mistanke om at Hubble sine målinger av kefeide-stjerner på stor avstand var forstyrret av begrenset oppløsning. Lyset fra kefeiden kan ha blandet seg med lys fra andre stjerner rundt. Støv i veien kan også ha spilt inn.
James Webb teleskopet har en bedre oppløsning og kan se gjennom støv. Webb bekrefter at Hubble-teleskopet hadde rett.
Webb har sett på fem galakser med åtte type Ia-supernovaer og 1.000 kefeider.
Annonse
– Vi har nå dekket hele spekteret av det Hubble observerte, og vi kan utelukke en målefeil som årsak til Hubble-spenningen med svært høy sikkerhet, sier Adam Riess, fysiker ved Johns Hopkins University og nobelprisvinner, i artikkelen fra ESA.
En kefeide-stjerne sett med James Webb (til venstre) og Hubble (til høyre).(Bilde: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI)
Ikke nok bevis enda
Per Barth Lilje sier at den nye studien er spennende. Usikkerheten rundt målingen av Hubble-parameteren er nå enda mindre.
Det er likevel for tidlig å slå fast at det er modellen av universet det må være noe galt med.
– Jeg tar ikke dette for god fisk enda. De må få holde på enda lenger. Det er andre måter å måle dette på. Noen har støttet den ene beregningen og noen den andre. Jeg er spent på fortsettelsen, sier Lilje.
En ny metode som tok i bruk gravitasjonslinsing og en supernova, ga i fjor et resultat som var nærmest Planck-estimatet.
Hvis avviket ikke lar seg løse, kan det være at det trengs ny fysikk.
– Det er en god del ideer ute og går, sier Lilje.
Kanskje trengs det en modifikasjon av generell relativitetsteori eller kanskje er det en spesiell egenskap ved mørk energi som spiller inn.
– Men først må en være helt sikre på at det er en uoverensstemmelse.
Gravitasjonsbølger og nytt romteleskop
Lilje synes det blir interessant å se hva gravitasjonsbølger vil fortelle om Hubble-parameteren. Observasjoner av gravitasjonsbølger er godt i gang.
– Får en gravitasjonsbølger fra kolliderende sorte hull, samtidig som man kan se hendelsen med teleskoper, kan det gi veldig nøyaktige avstandsmålinger over store avstander.
Det europeiske romteleskopet Euclid er nå i gang med sin jobb i rommet. Det skal kartlegge universet på de største skalaene.
Euclid kan ikke måle Hubble-konstanten direkte, men vil brukes til å utforske dagens modell av universet.
– Det kan gi mye bedre føringer for teorier for mørk materie, mørk energi eller modifiserte gravitasjonsteorier.
Utvidelsen akselererer
Målinger av universets utvidelse førte til forskere kom frem til hypotesen om mørk energi. Denne energien sender ikke ut stråling. Forskere vet ikke helt hva det er, eller om effekten skyldes noe annet.
I 1998 ble det nemlig oppdaget at universets utvidelse akselererer.
Ved big bang utvidet universet seg ekstremt raskt. Det var under den såkalte inflasjonsperioden som bare varte en brøkdel av et sekund.
Universet fortsatte å utvide seg videre etter dette, materie og objekter i universet kom lenger unna hverandre. Utvidelsen gikk saktere ettersom materie og stråling ble spredd ut. Ekspansjonen ble sakket ned av tyngdekreftene, som vil bringe alt sammen.
Det kunne fortsatt sånn. Ekspansjonen kunne sakket mer og mer ned over tid, eller tyngdekreftene kunne til slutt vunnet, og universet ville begynt å trekke seg sammen igjen. Det forklares i en artikkel fra astrofysiker Ethan Siegel.
Det passer imidlertid ikke med observasjonene. Det skjedde en endring for rundt seks milliarder år siden. Universet begynte å utvide seg raskere igjen.
Frastøtende gravitasjon
Forskere tror det skyldes en type energi i universet som forårsaker frastøtende gravitasjon.
Den mørke energiens tetthet minsker ikke selv om rommet utvider seg. Men det gjør tettheten til materie.
For seks milliarder år siden ble tettheten av mørk energi større enn tettheten til materie, og mørk energi begynte å dominere. Dette resulterer i at universets utvidelse ikke vil stoppe.
Hubble-parameteren har også variert. Den synker, men ikke så raskt som forskerne forventer. Hubble-parameteren vil bli lavere og vil ende med å legge seg på et konstant nivå på grunn av mørk energi. Den vil ikke gå til null.
Til slutt vil alle galakser være så langt unna hverandre at lys aldri vil nå fram fra den ene til den andre.
